Identification de champs de propriétés élastiques fondée sur la mesure de champs : application sur un composite tissé 3D

Identification of elastic properties fields based on full-field measurement : application to a 3D woven composite

• Auteur / Autrice : Renaud Gras
• Direction : Stéphane Roux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, génie mécanique, génie civil
• Date : Soutenance le 18/12/2012
• Etablissement(s) : Cachan, Ecole normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Zoheir Aboura, Philippe Boisse, Marc Bonnet, Hugo Leclerc, Julien Schneider
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-François Maire, Julien Réthoré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Traitement d'images -- Techniques numériques

Incertitude de mesure

Composites

Mots clés libres

Composites

Corrélation d'images numériques

Identification

Incertitudes

Composites

Digital image correlation

Identification

Uncertainties

Résumé

Depuis ces dernières décennies, les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans l'aéronautique. Notamment, les composites tissés 3D présentent des caractéristiques matériau hors-plan intéressantes par rapport aux stratifiés. Cette technologie est développée pour les aubes FAN des moteurs d'avion. La difficulté réside dans l'identification et la validation du modèle orthotrope élastique macroscopique du pied d'aube. En effet, l'hypothèse de séparation des échelles pour l'obtention des paramètres matériau macroscopique par homogénéisation n'est pas clairement vérifiée au sein du pied d'aube comportant plusieurs zones matériau. Le composite tissé 3D formant le pied d'aube est un matériau multi-échelle complexe. Les travaux de thèse ont donc été menés afin de proposer une identification des paramètres du modèle basée sur la mesure de champs de déplacements par Corrélation d'Images Numériques (CIN) et sur la méthode d'identification de recalage de modèles éléments finis (FEMU). Cette identification a pris en compte l'influence du bruit du capteur CCD présent sur les images servant à la CIN sur l'identification des paramètres matériau. Du fait du grand nombre de paramètres matériau à identifier et des éventuels couplages entre ceux-ci, il apparaît que quelques uns ne peuvent pas être identifier à travers l'essai de traction étudié. Par conséquent, une régularisation de la FEMU a été proposée basée sur la connaissance a priori des valeurs nominales et de leur incertitude. Celle-ci consiste en une pondération intelligente vis-à-vis des données issues de l'essai afin de faire tendre les paramètres non identifiables vers leur valeur nominale. Finalement, la qualité de l'identification a été quantifiée grâce aux incertitudes sur les paramètres matériau identifiés et grâce aux cartes de résidus d'identification basées sur les images. Ces cartes traduisent la capacité du champ de déplacement calculé par le modèle éléments finis identifié à corriger l'image déformée pour la recaler sur l'image de référence, images sur lesquelles la mesure par CIN est effectuée. Ces cartes de résidus et les incertitudes obtenues permettent ainsi de valider le modèle éléments finis proposé et le cas échéant de mettre en lumière ses insuffisances. Remettre en cause les valeurs nominales ou la modélisation (par exemple le zonage matériau) pour aboutir à une description compatible avec l’expérience reste du ressort de l’ingénieur. Le travail présenté ici lui permet d’éclairer au mieux ses choix.

In recent decades, composite materials are increasingly used in aerospace. Particularly, 3D woven composite present interesting out-of-plan characteristics compared to laminates. This technology is developed for FAN blades of aircraft engines. The difficulty lies in the identification and validation of the macroscopic elastic orthotropic model of the FAN blade root. Indeed, the assumption of scales separation to obtain the macroscopic parameters by homogenization is not clearly verified in the blade root containing multiple zones. The 3D woven composite forming the blade root is a complex and multi-scale material. The thesis work has been carried out to propose an identification of model parameters based on measurement of displacement fields with Digital Image Correlation (DIC) and the identification method of finite element model updating (FEMU) . This identification has taken into account the influence of noise, coming from the CCD sensor and present on the images utilized for the DIC, on the identification of material parameters. Because of the large number of material parameters to identify and the possible couplings between them, it appears that some of them can not be identified through the tensile test studied. Therefore, a regularization was proposed based on a priori knowledge of the nominal values &#8203-&#8203-and their uncertainty. This consists in a smart balance regarding the data obtained through the test in order to force the unidentifiable parameters to their nominal value. Finally, the quality of the identification was quantified using the uncertainties on the identified material parameters and residual maps after identification based on images. These maps reflect the ability of the calculated displacement to match the corrected deformed image on the reference image, images with which the DIC is performed. These residual maps and uncertainties on material parameters allow to validate the finite element model and propose an appropriate tool to highlight its shortcomings. Challenging nominal or modeling (eg material zones) to achieve a description consistent with the experience remains the responsibility of the engineer. The work presented here allows him to enlighten its choices.